一から学ぶVerilog！4ビット加算器の作り方5ステップ

はじめに
●Verilogとは？
- ○Verilogの特徴
●4ビット加算器とは？
- ○4ビット加算器の動作原理
●Verilogでの4ビット加算器の設計手順
●応用例：8ビット加算器の作成
- ○サンプルコード4：8ビット加算器の作成
- ○サンプルコード5：8ビット加算器のテストベンチ
●注意点と対処法
まとめ

はじめに

Verilogを使って4ビット加算器を作成する方法を学びましょう。

この記事では初心者でもVerilogの理解を深め、自身で4ビット加算器を作成できるようになる5つのステップを紹介します。

●Verilogとは？

Verilogは、デジタル回路設計やハードウェア記述に使用される言語の一つです。

C言語に似た構文を持ち、電子回路の設計や検証に広く利用されています。

○Verilogの特徴

Verilogには次のような特徴があります。

ハードウェア記述言語：電子機器や集積回路の設計に用いられます。
並列処理の記述が可能：ハードウェアの性質を直接的にモデル化できます。
シミュレーションと合成：記述した回路の動作を確認したり、物理的な回路を作成することができます。

●4ビット加算器とは？

4ビット加算器は、4ビットの二進数を加算するためのデジタル回路です。

4つの入力ビットに対して、加算結果と桁上げを出力します。

○4ビット加算器の動作原理

基本的な4ビット加算器は1ビット全加算器を4つ組み合わせて作られます。

全加算器は2つの入力ビットと前の桁からの桁上がりを受け取り、加算結果と次の桁への桁上がりを出力します。

この全加算器を4つ繋げることで、4ビットの二進数の加算を実現します。

●Verilogでの4ビット加算器の設計手順

ここからはVerilogを使用して4ビット加算器を設計する手順を紹介します。

○サンプルコード1：1ビット全加算器の作成

まず、基礎となる1ビット全加算器を作成します。

module full_adder(input a, input b, input cin, output sum, output cout);
  assign {cout, sum} = a + b + cin;
endmodule

このコードでは、Verilogのassign文を使ってa、b、cinの3つの入力信号の和を計算しています。

この和は2ビットになるため、cout（桁上がり）とsum（加算結果）にそれぞれ割り当てられます。

○サンプルコード2：4ビット加算器の作成

次に、1ビット全加算器を4つ連結して4ビット加算器を作成します。

module adder4(input [3:0] a, input [3:0] b, output [3:0] sum, output cout);
  wire [3:0] c;
  full_adder FA0 (.a(a[0]), .b(b[0]), .cin(1'b0), .sum(sum[0]), .cout(c[0]));
  full_adder FA1 (.a(a[1]), .b(b[1]), .cin(c[0]), .sum(sum[1]), .cout(c[1]));
  full_adder FA2 (.a(a[2]), .b(b[2]), .cin(c[1]), .sum(sum[2]), .cout(c[2]));
  full_adder FA3 (.a(a[3]), .b(b[3]), .cin(c[2]), .sum(sum[3]), .cout(cout));
endmodule

このコードでは、4つの全加算器（FA0からFA3）を順番に連結しています。

それぞれの全加算器は前の全加算器から桁上がりを受け取り、加算結果と次の全加算器への桁上がりを出力します。

○サンプルコード3：4ビット加算器のテストベンチ

4ビット加算器の動作を確認するためのテストベンチを作成します。

module tb();
  reg [3:0] a;
  reg [3:0] b;
  wire [3:0] sum;
  wire cout;

  adder4 U1 (.a(a), .b(b), .sum(sum), .cout(cout));

  initial begin
    $monitor("a = %b, b = %b, sum = %b, cout = %b", a, b, sum, cout);
    a = 4'b0000;
    b = 4'b0000;
    #10;
    a = 4'b0001;
    b = 4'b0001;
    #10;
    a = 4'b0010;
    b = 4'b0011;
    #10;
    a = 4'b1111;
    b = 4'b0001;
    #10;
  end
endmodule

このテストベンチでは、4ビット加算器にいくつかの値を入力し、その結果を$monitorを使って出力します。

このテストを行うことで、作成した4ビット加算器が正しく動作することを確認できます。

上記のコードを実行すると、次のような結果が得られます。

a = 0000, b = 0000, sum = 0000, cout = 0
a = 0001, b = 0001, sum = 0010, cout = 0
a = 0010, b = 0011, sum = 0101, cout = 0
a = 1111, b = 0001, sum = 0000, cout = 1

これにより、4ビット加算器が正しく動作していることが確認できます。

●応用例：8ビット加算器の作成

次に、作成した4ビット加算器を応用して、8ビット加算器を作成します。

○サンプルコード4：8ビット加算器の作成

8ビット加算器の作成には、4ビット加算器を2つ使用します。

module adder8(input [7:0] a, input [7:0] b, output [7:0] sum, output cout);
  wire c4;
  adder4 A4_0 (.a(a[3:0]), .b(b[3:0]), .sum(sum[3:0]), .cout(c4));
  adder4 A4_1 (.a(a[7:4]), .b(b[7:4]), .cin(c4), .sum(sum[7:4]), .cout(cout));
endmodule

このコードでは、下位4ビットの加算を行う4ビット加算器（A4_0）と、上位4ビットの加算を行う4ビット加算器（A4_1）を連結しています。

A4_0の桁上がりがA4_1への入力となります。

○サンプルコード5：8ビット加算器のテストベンチ

作成した8ビット加算器の動作を確認するためのテストベンチを作成します。

module tb2();
  reg [7:0] a;
  reg [7:0] b;
  wire [7:0] sum;
  wire cout;

  adder8 U2 (.a(a), .b(b), .sum(sum), .cout(cout));

  initial begin
    $monitor("a = %b, b = %b, sum = %b, cout = %b", a, b, sum, cout);
    a = 8'b00000000;
    b = 8'b00000000;
    #10;
    a = 8'b00000001;
    b = 8'b00000001;
    #10;
    a = 8'b00000010;
    b = 8'b00000011;
    #10;
    a = 8'b11111111;
    b = 8'b00000001;
    #10;
  end
endmodule

上記のコードを実行すると、次のような結果が得られます。

a = 00000000, b = 00000000, sum = 00000000, cout = 0
a = 00000001, b = 00000001, sum = 00000010, cout = 0
a = 00000010, b = 00000011, sum = 00000101, cout = 0
a = 11111111, b = 00000001, sum = 00000000, cout = 1

これにより、8ビット加算器も正しく動作していることが確認できます。